（通信与信息系统专业论文）tdscdma通用开发平台硬件设计.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 本文研究了t d s c d m a 通用开发平台的硬件设计，主要内容包括平台的原理 框图设计、电路原理图设计、p c b 板的制作及信号完整性仿真。 论文首先介绍了第三代移动通信的发展现状，并简要介绍了w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 三大主流标准。然后详细介绍了t d s c d m a 系统，并结合它 的关键技术探讨了t d s c d m a 的优势。文章分析了我国3 g 产业发展的现状，介 绍了目前国家的产业政策和t d 产业链状态，提出了t d s c d m a 通用开发平台的 市场需求。 文章详细说明了通用开发平台的射频单元、基带电路的基本要求，引入了模 块化的概念，分别描述了应用模块、接收模块、发送模块的任务和信号流程，对 各模块功能进行了详细阐述。介绍了平台的各个接口功能以及电源管理、时钟管 理等各模块的器件选型、器件介绍、电路原理图设计等。平台的设计是用p r o t c l 9 9 s e 软件实现的，本文介绍了该工具的使用和功能，讲述了t d s c d m a 通用开 发平台原理图设计的整体规划和注意事项，然后设计出了平台的原理图。 在p c b 设计中，着重介绍了信号完整性、电磁兼容性和电源完整性等p c b 设 计的基本知识，然后结合实际经验，围绕p c b 设计的总体原则详细讲述了p c b 布 局、布线、层叠设计、过孔设计等的原则和技巧。本文还详细总结了平台在设计 过程中采用的抗干扰措施。完成了p c b 的设计之后，对p c b 的关键信号线和电源 线等进行了信号完整性分析。文章最后，总结了论文的主要工作和作者的主要贡 献，然后提出了平台的进一步改进方向。 关键词：t d s c d m a ，信号完整性，抗干扰，电磁兼容性 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i s p a p e ri n v e s t i g a t e s t h eh a r d w a r e d e s i g no ft h et d - s c d m au n i v e r s a l d e v e l o p m e n tp l a t f o r m i t sm a i nc o n t e n ti n c l u d e st h eh a r d w a r ef r a m ed e s i g n ，t h ed e s i g n o fc i r c u i td i a g r a m ，p c bd e s i g na n dt h es i m u l a t i o no fs i g n a li n t e g r i t y f i r s t l y ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to f3 g , a n ds i m p l yi n t r o d u c e st h e d e v e l o p m e n to f t h et h r e em a i ni n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d so fw c d m a ，c d m a - 2 0 0 0a n d t d s c d m a t h e nt h ep a p e rd e s c r i b e st h et d s c d m as y s t e mi nd e t a i l ，a n dc o m b i n e s w i t hi t sk e yt e c h n o l o g yd i s c u s s e st h ep r e d o m i n a n c eo ft h es y s t e m t h ep a p e ra n a l y s e s t h es t a t eo fo u rc o u n t r y s3 gi n d u s t r y , i n t r o d u c e st h ec u r r e n t l yt di n d u s t r yc h a i na n d 3 gi n d u s t r yp o l i c y , a n da l s oa n a l y s e st h em a r k e tr e q u i r e m e n to ft h et d - s c d m a u n i v e r s a ld e v e l o p m e n tp l a t f o r m t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i cr e q u i r e m e n to fr fe e l la n db a s e b a n dc i r c u i to ft h e p l a t f o r m ，b r i n g si nt h ec o n c e p to fm o d u l a r i z a t i o n , a n ds e p a r a t e l yd e s c r i b e st h es i g n a l f l o wa n dt h et a s k so fa p p l i c a t i o nm o d u l e ，r e c e i v em o d u i ea n dt r a n s m i tm o d u l e ，a n d e x p l a i n st h ef u n c t i o no fe v e r ym o d d ei nd e t a i l t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ef u n c t i o n so f t h ei n t e r f a c e s ，a n da l s oi n t r o d u c e st h ec h i pc h o i c e ，c h i pi n t r o d u c t i o na n dc i r c u i td i a g r a m d e s i g no fp o w e rm a n a g e m e n tm o d u l e ，c l o c km a n a g e m e n tm o d u l ea n do t h e rm o d u l e s t h ep l a t f o r mi sd e s i g n e dw i t hp r o t e l9 9s es o f t w a r e ，t h ep a p e re x p l a i n st h eu s ea n dt h e f u n c t i o no ft h ei n s t r u m e n t ，t e l lo ft h ei n t e g e rc i r c u i td i a g r a md e s i g na n dt h en o t i c e so f t h et d s c d m au n i v e r s a ld e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，t h e nd e s i g n e di t i np c bd e s i g n , t h ep c bd e s i g nt h e o r yo fs i g r 谢i n t e g r a l i t y , e l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t ya n dp o w e ri n t e g r a l i t y a r ee m p h a s i z e d ，t h e nc o m b i n ew i t hp r a c t i c e e x p e r i e n c e ，s u r r o u n dt h ec o l l e c t i v i t yp r i n c i p l eo fp c bd e s i g n ，t h ep a p e rd e p i c t st h e p r i n c i p l ea n ds k i l lo f p c bl a y o u t ，r o u t i n g ，l a y e rs t a c kd e s i g na n dv i ad e s i g ni nd e t a i l a n da l s o ，i n t r o d u c e st h ea n t i - j a m m i n gm e a s l e si nt h ep l a t f o r mp a r t i c u l a r l yw h e nt h e p c bd e s i g nh a sb e e na c h i e v e d ，a n a l y s e st h ek e ys i g n a l sa n dp o w e rs i g n a l so ft h ep c b i nt h ee n d ，t h ep a p e rs u m m a r i z e st h em a i nw o r ka n dt h em a i nc o n t r i b u t i o no ft h ea u t h o r , t h e ng i v e st h ei m p r o v e m e n to ft h ep l a t f o r m k e yw o r d s ：t d s c d m a ，s i g n a li n t e g r a l i t y ，a n t i - j a m m i n g ，e l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i 够 1 1 研究背景 1 1 1 第三代移动通信概述 第一章绪论 随着社会信息化进程的加快，个人移动通信日益受到人们的青睐，移动通信 系统已取得电信史上最辉煌的成功。但现有的第二代移动通信系统容量仍然比较 小、频谱利用率不高、抗干扰能力较差、无法适合于传输高速数据及多媒体业务 等。随着信息时代的发展，移动、宽带数据和多媒体业务的比例在迅速增加，这 些缺点和局限性日益显现出来i l 】。移动通信产业正在寻求新的突破，市场和技术的 驱动促使人们探索和研究新的通信系统，这就是第三代移动通信系统。 由国际电信联盟( i t u ) 提出的第三代移动通信系统( i m t - 2 0 0 0 ，3 g ) ，其设 计思想是实现个人终端用户能够在全球范围内的任何时间、任何地点、与任何人、 用任意方式、高质量地完成任何信息之间的移动通信与传输【2 1 1 3 1 。在3 g 系统所要 实现的目标中，最核心的问题是要高效地提供不同环境下的多媒体业务并实现包 含水、陆、空的全球覆盖。因而，它要求实现多种网络的综合：无线网与无线网 的综合，移动网与移动网的综合，陆地网与卫星网的综合等。它又要能适应多种 业务环境，且与第二代通信系统兼容，以便于平滑升级。对于通信终端而言，它 面对的是多种网络的综合系统，因而需要实现多频多模式终端( 手机) 。因此为满 足业务的需求，3 g 系统应具备以下功能：提供更大的通信容量和覆盖范围；具有 可变的高速数据率；同时提供高速电路交换和分组交换业务；具有较高的频谱利 用率等。i m t - 2 0 0 0 总共包括了五个大的标准体系，其中w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和 t d s c d m a 三个标准是最有优势的标准。 w c d m a 由欧洲e t s i 和日本a r i b 提出，它的核心网基于g s m m a p ，可通 过网络扩展方式提供基于a n s i 4 1 的运行能力，现在为了更好地支持多种业务， 核心网也提出了移动等基于包交换的设计方案。w c d m a 强调宽带技术，能有效 分辨和克服多径效应。它的最小带宽为5 m h z ，也可以取1 0 、2 0 m h z 。其码片速 率为3 8 4 m c h i p s ，帧长为1 0 m s 。数据调制前向链路采用q p s k ，反向链路采用 h p s k 。w c d m a 拥有完善的业务复接方案，它可以处理从8 k b i 眺到2 m b i t s 的混 合业务。它采用快速功率控制技术，使发射机的发射功率总是处于最小的水平， 从而减少了多址干扰【羽。w c d m a 还有其它的许多技术优点，如支持基站间的异 步操作，随着技术的发展，可支持自适应天线阵技术和多用户检测技术等。因为 有着g s m 的技术基础，目前w c d m a 的发展已经日趋成熟。 c d m a2 0 0 0 是国际电信联盟( i t u ) 规定的第三代移动通信无线传输技术之 一，它是从窄频c d m a l x 数字标准衍生出来的，可以从原有的c d m a i x 直接升 级到3 g ，建设成本低廉，为现有的c d m a 运营商提供了平滑升级到3 g 的路径。 其核心是l u c e n t 、m o t o r o l a 、n o r t e l 和q u a l c o m m 联合提出的宽带c d m ao n e 技术 1 2 。c d m a 2 0 0 0 的一个主要特点是与现有的t i a e i a 9 5 b 标准向后兼容，并可与 i s 9 5 b 系统的频段共享或重叠，这样就使运营商可以在i s 9 5 b 系统基础上平滑地 过渡。c d m a2 0 0 0 的核心网基于a n s i 4 1 ，但通过网络扩展方式也提供基于 g s m m a p 核心网上运行的能力。c d m a2 0 0 0 同样具备3 g 所需的技术特点：扩 频、多码率、分组数据等，只是不同的标准所采用的实现技术有所不同。 t d s c d m a ( t i m ed i v i s i o ns y n c h r o n o u sc d m a ) 是时分一同步码分多址。该 标准是由中国信息产业部电信科学技术研究院( c a 丌) 和德国西门子公司合作开 发的。它作为中国拥有完全自主知识产权的第三代移动通信国际标准，于2 0 0 0 年 5 月在土耳其召开的国际电信联盟会议上正式通过，成为与w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 并列的第三代移动通信三大主流标准之一。由于拥有t d s c d m a 的自主知 识产权，我国不但可以在建设第三代移动通信系统中节省近千亿的资金，还可以 用这项技术来支持民族工业的发展，一改近几年我国移动通信运营业蓬勃发展， 而设备制造业却被外国集团垄断的局面。 t d s c d m a 采用直接扩频的d s c d m a 方式，并具有t d m a 的特点，即不 同用户的信号分别在码域和时间域上由通道扩频码和时隙区分。t d s c d m a 无线 空中接口方式同时使用了t d m a 、f d m a 和c d m a 。在每个载波上，每个1 0 m s 为一无线帧( r a d i of r a m e ) ，每一无线帧分为两个5 r n s 的子帧，每一个子帧又分为 长度为6 7 5 m s 的七个常规时隙，形成了按时隙划分通道【4 】【5 】。最后再在每时隙按 c d m a 码划分子信道，从而一个最小的基本物理信道由信道扩频码、频率和时隙 三个因素共同决定，形成了三维接入方式。 t d s c d m a 的扩频带宽约为1 6 m h z ，码片速率为1 2 8 m c h i p s ，采用和 w c d m a t d d 一样的业务复接方案，可以处理从8 k b i t s 到2 m b i t s 的混合业纠6 j 。 对不同的业务，分别采用三种信道编码方式：卷积码、t u r b o 编码和不编码。 t d s c d m a 的功率控制在上行采用开环+ 死循环，下行仅用死循环，死循环 的控制速率为0 - 2 0 0 次s ，步长可取1 、2 、3 d b 【 ，j 。 2 1 1 2t d s c d m a 系统优势 t d s c d m a 的提出比其它标准要晚，但是它吸纳了九十年代以来移动通信领 域最先进的技术，因此t d s c d m a 在一定程度上代表了技术的发展方向，具有前 瞻性和强大的后发优势。t d s c d m a 系统及其技术优势主要体现在以下几方面： o t d s c d m a 系统抗干扰方面的优势 众所周知，c d m a 系统是一个干扰受限系统，任何减少干扰的措施都能带来 容量的提升。t d s c d m a 采用了很多新技术来抑制和减少干扰，在抗干扰和容量 之间取得了很好的平衡，使t d s c d m a 系统成为了一个资源受限系统。 下面从t d s c d m a 采用的几项关键技术谈一下t d s c d m a 在抗干扰方面的 特点： 1 ) 采用1 2 8 m c h i p s 的低码片速率，占用带宽窄，仅为1 6 m h z 。低带宽占用 率可以在有限的频率资源上提供更多的频点，使得不同的频点之间的干扰可以得 到很好地隔离。 2 ) 采用时分技术将用户分布到各个不同的业务时隙使影响白干扰的因素显著 降低，在c d m a 系统中自干扰随用户数量的增加呈指数级数增加，将用户分配到 不同的时隙上，由于不同时隙的干扰可以很好隔离，一个时隙内用户的白干扰是 主要干扰，白干扰因素显著降低1 8 j 。 3 ) 采用智能天线技术通过空分滤波有效地降低多径干扰，以多个高增益窄波 束动态地跟踪多个期望用户。接收模式下，能够将天线方向图主瓣对准有用信号， 而把副瓣或零陷对准干扰，抑制来自窄波束之外的信号；发射模式下，能够使期 望用户接收的信号功率最大，同时使窄波束照射范围以外的非期望用户受到的干 扰最小【9 j 。 4 ) 采用联合检测技术来解决多用户干扰，充分利用造成多址干扰的所有用户 信号及其多径的先验信息信号之间的相关性( 如确知的用户信道码) ，各用户的 信道估计，把用户信号的分离当作一个统一的相互关联的联合检测过程来完成， 从而具有优良的抗干扰性能，降低了系统对功率控制精度的要求，因此可以更加 有效地利用上行链路频谱资源，显著地提高系统容量，并削弱了“远近效应”的 影响。 t d d 方式便于提供非对称业务 工作在t d d 模式下的t d s c d m a 系统在周期性重复的时间帧里传输基本 t d m a 突发脉冲，通过周期性地转换传输方向，在同一载波上交替进行上、下行 链路传输【1 0 1 。t d d 不需要使用成对的频率，便于频率安排；t d d 适应不对称的上 3 下行时隙要求，特别适用于口资料业务；t d d 上厂f 行工作于同一频带，对称的 电波传播环境特性便于使用联合检测、智能天线等新技术以提高系统性能和降低 系统成本；t d d 系统没有高收发频带隔离的要求，上下行频率干扰较小，可使用 单片i c 来实现t d s c d m a 系统射频收发机，设备费用比f d d 方式大幅降低。 t d s c d m a 高效支持混合业务 t d s c d m a 对混合业务的支持具有极高的灵活性和扩展性，一方面是因为 t d d 方式支持不对称业务的效率更高，另一方面是因为t d s c d m a 标准充分考 虑了对混合业务的支持。工作在t d d 模式下的t d s c d m a 系统在同一载波上进 行上下行链路传输，t d s c d m a 采用的动态信道分配技术可以在时域、空域和码 域实现对无线资源的灵活配置，通过上下行切换点动态调整上下行业务的容量， 从而灵活地支持对称业务和非对称业务l l l 】。t d s c d m a 系统提供从基本语音通信 业务到数字业务和分组视频业务。虽然所有的用户共享同一频率资源，但是由于 系统使用了智能天线和联合检测，因此系统可以根据业务的质量级别和要求动态 地给用户分配功率，动态调整上下行数据传输速率并保证干扰不超出上限。所以 t d s c d m a 系统特别适合于处理上下行不对称的i p 资料业务，并在提供业务的 种类和质量方面具有明显优势。 t d s c d m a 技术演进方面的优势 目前，t d s c d m a 系统具备和g s m 、w c d m a 系统良好的兼容性，可以共 同使用一个核心网。在向b 3 g 平滑演进方面，t d s c d m a 相对于其它模式而言有 着较大的优势。在未来b 3 g 架构上，系统关键技术主要是h s d p a 技术、m i m o 技术、智能天线、联合检测、软件无线电等技术。由于t d s c d m a 的时分双工模 式，其上下行信道是互惠的，因此，在t d s c d m a 提供h s d p a 可以采用信道预 测技术以提高系统的吞吐量。智能天线和联合检测的有机结合可以有效地抑制干 扰，故而将在b 3 g 中得到持续发展。t d s c d m a 采用1 2 8 m c h i p s 低码片速率， 使得接收机对采样数字接收信号的处理要求大大降低，适合采用软件无线电技术， 基带处理的全软件技术实现方法和自适应智能天线的技术体制，使得t d s c d m a 设备完全能够通过软件的升级支持b 3 g 的关键技术。在向b 3 g 平滑演进的过程中 引进m i m o 技术，也只需要极少的硬件设备更换和升级，这是目前任何其它模式 所无法达到的。 1 2 平台的提出及需求分析 目前，t d 在全国8 个城市的商用试验已经由网络和设备的稳定性测试转入到 增值业务的加载测试阶段。t d 系统研发与产业化取得重大突破，已建立了芯片、 4 终端、基站、核心网、软件、仪表等产业生态链，t d s c d m a 产业链多厂商供货 环境已经形成，为后续的商用做好了准备。 随着t d 产业化的进展，特别是国家发放t d 运营牌照之后，将会有大量的公 司参与t d 产品的开发。各公司之间的竞争将日益激烈，因此当务之急就是顺应潮 流，在第一时间内开发出产品，否则很多开发就丧失了市场，当然也就失去了价 值。t d 产业链涉及的产品种类非常多，当前可供开发的具有较大市场价值的新产 品主要有：网优测试仪( 路测仪) 、应用软件开发平台、直放站、多终端模拟测 试仪、终端一致性测试仪、无线交换机等。为了更有效地开发这些产品，迫切需 要完成开发所需要的环境和平台建设，也就是需要一套“通用仿真开发硬件平 台”。基于该平台可进行各种新产品的开发，在平台上完成产品的前期定义、仿 真开发和调试，开发成功后的产品方案，可以移植到终端( 手持机) 中，获取超 额利润；有些方案可以转让或技术提成获取利润。 t d s c d m a 通用开发平台的通用性，使得该平台也可以成为协议栈等软件产 品的载体，在该平台上完成软件的调试和仿真等工作。对平台进行适度的功能扩 充和完善，该平台本身也可以成为一款产品。 1 3 论文结构 本文共五章，内容安排如下： 第一章介绍了文章的研究背景，第三代移动通信技术的发展现状，三大主流 技术标准的技术特点，详细介绍了t d s c d m a 系统的关键特点和优势。然后结合 我国t d s c d m a 产业发展的现状，分析了该平台的市场需求和前景。 第二章主要根据该平台的框架及要求，完成了平台的各个接口设计、及各个 模块的设计。主要讲述了o m a p l 6 1 2 、f p g a 、m a x l 9 7 0 0 、m a x l 5 0 0 等核心芯 片的功能原理及m c b s p 接口、u a r t 接口、j t a g 接口、射频接口、e m i f 接口 的功能和电路设计；并对平台内部的小模块进行了详细设计，例如电源管理模块、 时钟管理模块，语音编码模块等。由于射频模块是独立于该平台设计的，不在平 台设计范围之内，所以单独简单地讲述了采用的射频模块的设计。本章还简单介 绍了p r o t e l9 9 s e 工具，然后讲解如何建立元件库和技巧，并对该平台进行了自底 向上的设计。 第三章为p c b ( 尤其是高速p c b ) 设计的理论部分，介绍了p c b 设计中的信 号完整性设计、电磁兼容性设计、电源完整性设计等理论知识。 第四章为该平台设计的p c b 实现部分。首先讲述了一般p c b 设计的总体要求， 然后围绕总体要求进行了p c b 整体布局、层叠设计、过孔设计、布线等具体处理 5 步骤。抗干扰是p c b 设计的核心问题，本章详细讲述了平台所采用的抗干扰措施。 最后对信号完整性进行了仿真。 第五章总结了论文的主要工作和平台下一步的改进方向。 6 第二章t d s c d m a 通用开发平台硬件原理设计 2 1 平台框架及基本要求 2 1 1 射频单元基本要求 作为通用平台，必须考虑测试仪的基本要求，其接收下限灵敏度应小于一 l1 0 d b m ，上限灵敏度应能承受大于+ 2 0 d b m 的终端最大输出的冲击。 载频稳定度应尽可能得高，最好能满足3 g p p 标准对基站频率稳定度的要求 ( o 0 5 p p m ) 。 后期应能够支持多载频同时输出( 6 个) ，并且每一载频的输出功率和输出 时延应能软件可调，输出时隙为t s 0 和d w p t s 。支持6 个载频中的任一个( 且仅 有一个) 作为服务小区载频( 可收可发) 。 服务小区载频能够支持多时隙收发，同时支持3 个上行和3 个下行( t s 0 除外) 。 最好能够支持多频段( 目前仅限于全部t d d 频段) ，若实在有困难也可仅 支持2 0 1 0 2 0 2 5 频段。 射频电路板不计成本、功耗和体积，独立于基带排板，独立供电( 最好采 用独立电源) ，能够根据需要进行更换和扩充。 2 1 2 基带电路基本要求 平台上的各个处理单元可以独立工作，也可构成主从式多c p u 平台，此时 单元之间的通信使用内部高速i o 口。 主从式工作时( 如用于协议测试仪开发) ，输入输出通道完全独立，在主 控a r m 处合路。 保证已有技术能够得到充分利用，同时又兼顾多载频、多时隙处理能力的 要求。 保证软件的可扩展性，硬件设计时保证任一c p u 都保留3 0 - , 5 0 的处理能 力，对f p g a 能力也有同样的要求。 要求平台可与p c 机相连，与计算机进行通信和数据传递。 7 2 1 3 平台整体框架设计 针对以上要求，基带设计采用多c p u + 多f p g a 结构( 多d s p 和多a r m ) ， 整个基带电路划分为三个相对独立的模块。接收处理器、发送处理器和应用处理 器均采用o m a p ( 删9 2 6 e j s + d s p 5 5 1 0 ) ，其中三个处理器之间的通信通过 m c b s p 串口完成。目前采用的核心处理器芯片为o m a p l 6 1 2 ，可用o m a p 5 9 1 2 替换，两者的不同主要在一些外围接口上，内存和中断相同；此外，o m a p l 6 1 2 多了内部1 6 m x l 6 的d d rs d r a m 。 基带硬件板的基本结构图如图2 1 所示。 图2 1 基带硬件板的基本结构图 图2 1 描述的是基带硬件电路的结构框架，其各部分的功能简述如下( 设为主 从式运行) ： 应用处理器 应用处理器主要负责信源的编译码，如话音、实时图像等的压缩编译码，另 外还处理一些简单的m m i 功能，如键盘、基本菜单等。与主处理器之间用a t 指 8 令集通信。若用作测试仪的开发，测试例的输入输出也由此处理器控制。 发送通路处理器 该处理器由一片o m a p 加一片f p g a 构成，用于发送通路处理及其相关的i o 控制，接收来自主处理器的控制、配置和数据。片内删处理器完成服务小区和 邻近小区的参数配置、系统信息广播调度、a s n 1 编码、服务小区数据发送以及 相关的控制等。发送处理器外接f p g a 的容量初步确定为1 0 0 万门，因为f p g a 只是负责发送数据的存储以及a d d ac o n t r o l 等模块的存储。d s p 和f p g a 的分 工如下面的图2 2 和图2 3 所示。 图2 2d s p 处理器任务描述 射频输出电路 f_ 叫子帧缓存卜 试圈 刮罨卜 控制 p g a 叫刊麟仔蝶纂黑f 罨r + 接 控制 口 控 叫子帧霎存卜匝蛾堡驸掣 制 y 6 i r l 7 l i 带限d c 口味尸椰 p 7 t 丫7 _ 图2 3f p g a 部分功能框图 9 说明： 1 ) ( i = l 一6 ) 为发送延迟因子，分别描述邻近小区的信号延迟，p ，( i l 一 7 ) 为功率控制因子，分别描述邻近小区的输出功率，力( 净1 7 ) 为输出频率控 制参数。 2 ) 通道l 对应服务小区，因此值一般为零( 无延迟或提前) ，切换时其初 值等于被切小区的延迟值，“物理信道重配置 消息成功发送后，系统时钟基准 将以被切小区的口值为参考重新刷新。 3 ) 每一通道都能发送d w p t s + t s 0 。信道1 固定用作服务小区，因此通道1 除了发送d w p t s + t s 0 时隙外，还有能力在t s 2 t s 6 ( 总时隙数璺) 上发送d p c h 。 发生切换时，广播数据的更新由d s p 实现，其它通道仅需发送d w p t s + t s o 即可， 因此发送缓存区的大小也仅需考虑这两个时隙数据即可，而信道1 的缓存大小应 能容纳4 个常规时隙+ d w p t s 的数据。 4 ) 带限白噪声的产生由专用芯片完成，输出时叠加在发送数据中。 5 ) 前述所有f p g a 任务都不需d s p 控制，d s p 仅需设置嚷和p 。并逐块( 2 0m s ) 写入发送资料。 6 ) 发送缓存和磁、d ，的值都保存在f p g a 的内部r a m 中，发送缓存区应 为乒乓区( 含d 、p t s ) ，d s p 在每一子帧中断处理程序中将下一子帧要发送的数 据写入，缓存区的交替由f p g a 过程完成，d s p 不参与，缓存区的忙闲状态也不 必指示给d s p 。 7 ) 除了硬件控制所需的参数和调试参数外，d s p 不接收来自f p g a 的任何信 息，即单向发送和控制。 接收( 主) 处理器 主处理器由a r m + d s p + f p g a 构成。为了和已有的开发兼容，a r m + d s p 采用一片o m a p l 6 1 2 。其中a r m 作为主控制器，完成与微机接口、处理通信协议 和其它相关的应用协议、协调并控制收发处理器( d s p ) 、应用处理器、外设界 面之间的工作等。片内d s p 处理器完成所有与空中接口有关的数据接收及控制。 接收处理器外接f p g a 的容量要求3 0 0 万门，因为f p g a 除了完成本小区接收数 据的存储和邻小区数据存储以及a d d ac o n t r o l 之外，还要完成f i r 、j d 、t u r b o 、 v i t e r b i 以及s y s t e m c o n t r o l 模块。接收处理器另外接一个2 5 6 m b 的f l a s h ，用于 存储f p g a 加载所需的b i t 文件以及系统程序，应用处理器外接2 5 6 m b 的f l a s h ， 以满足大量应用程序的存储。 主a r m 处理器的任务描述如图2 4 所示，接收信道d s p 和f p g a 处理器任务 如图2 5 所示。 1 0 图2 4 主a r m 处理器任务描述 图2 5 接收信道d s p 和f p g a 处理器任务描述 2 2 通用开发平台基带电路设计 2 2 1o m a p 与f p g a 接口设计 ( ) o m a p l 6 1 2 简介【1 2 心1 “开放式多媒体应用平台 ( o m a p ，o p e nm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o np l a n t ) 是德 州仪器( t i ) 推出的满足便携式多媒体终端的系统芯片。o m a p 集成了高性能的 a r m 核、t m s 3 2 0 c 5 5 xd s p 核和已经得到广泛应用的各种接口与外设，以其很强 的处理能力、很低的功耗和很高的性能价格比，来满足正蓄势待发的3 g 手机和其 它便携式多媒体终端的迫切需求。o m a p 系列包括应用程序处理器和集成了基带 处理以及各种应用的处理器，广泛地支持各种移动设备。由于各种o m a p 处理器 之间的软件和硬件相互兼容，使其成为进入无线市场多线产品的有效平台。 o m a p l 6 1 2 双核处理器是在应用广泛的o m a p l 5 1 0 处理器基础上扩展而成 的，每个核的工作频率可以达到2 0 0 m h z ，功耗更低，体积更小。o m a p l 6 1 2 的 处理速度可以达到过去产品的2 5 倍以上。对于移动设备制造商而言，这就意味着 可以进行更多的2 5 g 和3 g 的应用处理，如视频会议、交互式游戏、语音处理、 定位服务、视频处理等。 为了保证在o m a p 系列处理器之间的无缝扩展，o m a p l 6 1 2 器件的双核结构 允许设备制造商跨产品线再次利用已有的软件和其它开发成果。处理器中的高速 a r m 和d s p 核，都有多个基于硬件的应用程序加速器，用来处理二维图形和音频 等。由于这些加速器都是基于硬件的，因此功耗很小，o m a p l 6 1 2 处理器待机时 的功耗低于1 0 微安，处于当前工业界的最低水平之列。硬件和软件系统的强大功 能，使得o m a p l 6 1 2 处理器在无线应用处理器中处于最高端地位。另外， o m a p l 6 1 2 处理器的堆栈式存储器比一般的存储器消耗功率少，因为它减小了i o 的负载容量。 图2 6o m a p l 6 1 2 功能框图 1 2 s h ar l d 肿f p h 州 一t ip r o d o _ t t ( 墓) f p g a 简介 f p g a 即现场可编程门阵列，它是作为专用集成电路( a s i c ) 领域中的一种半定 制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数 有限的缺点【1 4 1 。目前f p g a 的品种很多，有t i 公司的t p c 系列、a l t e r a 公司 的f l e x 系列、a c t c l 公司的p r o a s i c 系列以及x i l i n x 公司的s p a n t a n 、v e r t e x 系列 等。 f p g a 是由存放在片内r a m 中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需 要对片内的r a m 进行编程。目前，大部分的f p g a 在使用时都需要外接一个 e p r o m 保存其程序，加电时，f p g a 芯片将e p r o m 中的数据读入片内编程r a m 中，配置完成后，f p g a 进入工作状态。掉电后，f p g a 恢复成白片，内部逻辑关 系消失，因此，p p g a 能够反复使用。f p g a 的编程无需专用的f p g a 编程器，只 需用通用的e p r o m 、p r o m 编程器即可【l5 1 。当需要修改f p g a 功能时，只需换 一片e p r o m 即可。这样，同一片f p g a ，不同的编程数据，可以产生不同的电路 功能。 本平台使用的两块f p g a 都是v i r t e x i i 系列的f p g a ，其内部结构如图2 7 所 示，它主要由可配置逻辑( c l b ) 、用户可编程i o ( i o a ) 、b l o c k r a m 、数字时钟管 理模块( d c m ) 、数字阻抗匹配模块( d c i ) 和硬件乘法器等组成。其中c l b 用于实 现f p g a 的绝大部分逻辑功能；l o b 用于提供封装管脚与内部逻辑之间的接口； b l o c k r a m 用于实现f p g a 内部的随机存取，它可配置为r a m 、双口r a m 、f i f o 等随机存储器；d c m 用于提供灵活的时钟管理功能；硬件乘法器用于提高f p g a 的数字信号处理能力【1 6 1 。 图2 7v i r t e x - i i 系列f p g a 内部结构示意图 1 3 o m a p 与f p g a 的连接 o m a p 通过m c b s p 2 与f p g a 进行数据传输。另外，f p g a 可以通过a r m 进行b o o t ，因此o m a p 的d a t a 0 0 - - d a t a 0 7 与f p g a 的d 7 - d 0 相连，注意是 d a t a 0 0 连接d 7 、d a t a 0 7 连接d o ，因为f p g a 的b 0 0 t 格式所需。 m c b s p 2 i o o m a pf p g a d a t a 0 0 - 0 7d 7 - d 0 y 图2 8o m a p 与f p g a 的连接图 可见，f p g a 和d s p 各自要实现的功能决定了它们之间的数据传输接口必须 要有很高的效率；综合考虑t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0 芯片的各种接口的性能，平台采用 m c b s p 2 接口来与f p g a 传输数据；因此，必须参照芯片的数据手册中对m c b s p 2 串口的描述，在f p g a 端模拟一个m c b s p 2 串口，才能顺利实现数据的传输。 2 2 2o m a p 与o 脚之间接口 在该平台的设计中，共使用三块o m a p l 6 1 2 芯片，应用模块、接收模块、发 送模块各用一块o m a p 芯片，这些芯片两两之间也需要进行数据的交换和通信， o m a p 之间通过m c b s p 串口通信。 m c b s p ，英文全名为m u l t i c h a n n e lb u f f e r e ds e r i a lp o r t ，即多通道缓冲串口。 t m s 3 2 0 v c 5 5 l o 芯片有三个高速、全双tm c b s p 串口，m c b s p 串口是在标准同 步串口基础上扩展而来，它提供强大的同步串口通信机制，速度可达1 0 0 m b i t s 。 其部分主要功能如下【1 2 j ： 接收和传送各有独立的时钟和帧资源； 1 2 8 个通道供接收和传送使用； 多通道选择模式可以激活或屏蔽每一个通道上的块传送功能： 能够与工业标准的解码器、模拟接口芯片( a i c s ) 和其它串行a d d a 设 备直接连接； 1 4 支持外部的时钟和帧同步信号； 可配置采样速率发生器通过参数控制时钟和帧同步信号： 可配置帧同步信号和时钟信号的极性； 传输的数据长度可为8 、1 2 、6 、2 0 、2 4 、3 2 比特； a 律和“律的压缩扩展； 与t 1 e 1 、s p i 、a c 9 7 、1 2 c 等直接接口。 m c b s p 包括一个数据流路径和一个通过6 个引脚连接到外部器件的控制路 径：这6 个引脚分别是：d x ( 数据发送) 、d r ( 数据接收) 、c l k x ( 发送时钟) 、 c l k r ( 接收时钟) 、f s x ( 发送帧同步) 、f s r ( 接收帧同步) 。有效的数据经m c b s p 串口通过d r 和d x 引脚传输到外部设备，同步控制信号则由c l k x 、c l k r 、f s x 、 f s r 四只引脚来实现。图2 9 中简要画出了m c b s p 发送接收的基本时序图： 姒扎n 叶叶小扒n n 叶沛小肿 fil i 卜叫 liiilllili f s r x ) + + 卜_ i 卜- 1 _ f 十卜卜叫_ f + _ _ 一 。艄回圆h 到到斟斟斟斟麟斟* 图2 9m c b s p 发送，接收基本时序 由图2 9 中可以看到：当一个帧同步脉冲到达时，m c b s p 插入适当的数据延 迟( 图2 9 中是1 比特延迟) ，d ( r r x ) 弓i 脚便开始移出数据；在d r 或d x 引脚上 的数据是一次一个比特传送的，每个比特的传送时间是在时钟信号的上升或下降 沿。此外，在收发通道上还有一个数据压扩器，可以把数据按“律或a 律压缩后 再发送，接收时再对应地进行扩展；不过，数据压扩器是个可选项，根据开发平 台需要，模拟接口中并没有涉及。 由于m c b s p 串口的引脚d r 和d x 都有缓冲寄存器，帧同步信号f s x 、f s r 、 时钟信号c l k x 、c l k r 均具有可编程性，可见d s p 芯片的m c b s p 串口是非常灵 活的。具体接口如图2 1 0 所示。 雎s p j c l 碰眶b s p 脚匿 m m 眶路p j 懿眦砖嘲 c c b眦鼢珥虻b 踣j x b s s p 虻嚣匮眦b 四j r p 图2 1 0 0 m a p 与o m a p 之间接口 2 2 3 基带与射频接口设计 平台的a b b 模块使用m a x i m 公司的眦1 9 7 0 0 完成a d d a 转换。 m a x l 9 7 0 0 是超低功耗、混合信号模拟前端( a f e ) ，设计用于t d s c d m a 手机和 数据卡。m a x l 9 7 0 0 集成了双路1 0 位7 5 m s p s 接收( r x ) a d c 、双路l o 位7 5 m s p s 发送( t x ) d a c 、t d s c d m a 基带滤波器